diffrazióne
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Lessico
[sec. XVII; da diffratto]. Fenomeno caratteristico della propagazione per onde, che si manifesta quando queste incontrano ostacoli o diaframmi, che ne limitano l'estensione, di dimensioni dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda. § Diffrazione dei raggi X. I raggi X, così come la luce, sono costituiti da radiazioni elettromagnetiche e in virtù di ciò subiscono diffrazione; tuttavia, avendo una lunghezza d'onda estremamente piccola, vengono diffratti solo da atomi o molecole disposti in strutture regolari, quali si hanno nei reticoli cristallini (vedi anche la legge di Bragg).
Diffrazione . Figura di diffrazione osservata con luce monocromatica.
De Agostini Picture Library
Diffrazione . Figura di diffrazione.
De Agostini Picture Library
Ottica
Al fine di chiarire qualitativamente il fenomeno nell'ambito dell'ottica, si può considerare il caso di un diaframma circolaresul quale incida un'onda piana monocromatica, con fronte d'onda parallelo al piano del diaframma. Il fascio luminoso si allarga al di là del disco, occupando una zona in parte esterna al cilindro perpendicolare al foro che costituirebbe la superficie di separazione fra zona in ombra e zona illuminata, secondo l'ottica geometrica. In particolare, se dietro al diaframma, di diametro uguale ad alcune volte la lunghezza d'onda della luce, si pone uno schermo che viene illuminato dal fascio luminoso, su di esso si osserva una zona centrale circolare assai luminosa, più grande del diametro del foro; riducendo il diametro del foro, la zona centrale si allarga e compaiono, oltre a essa, delle zone anulari meno luminose, di modo che l'immagine è costituita da frange anulari alternativamente chiare e scure. Il fenomeno si accentua se il diametro del foro diminuisce fino a diventare circa uguale alla lunghezza d'onda della luce. Con un'ulteriore diminuzione del diametro si ha ancora un allargamento della frangia centrale e un allontanamento delle frange luminose, ma la luminosità dell'immagine diminuisce, sicché dapprima risulta visibile solo la zona centrale, poi anch'essa impallidisce. Per spiegare il fenomeno della diffrazione è essenziale ammettere la natura ondulatoria della luce, premessa che è alla base del principio di Huygens. Si consideri, per esempio,, un'onda monocromatica piana, che in un certo istante t raggiunge una superficie S₁ nei punti della quale ha la stessa fase, e che quindi ne costituisce una superficie d'onda: per il principio di Huygens ogni punto di S₁ è sorgente di onde sferiche elementari di cui una qualsiasi altra superficie d'onda S₂ raggiunta all'istante t+Δt costituisce l'inviluppo. In generale la diffrazione è visualizzata dall'interferenza delle onde elementari secondarie che si osserva su uno schermo o per mezzo di un oculare adattato per osservare un'immagine all'infinito. I fenomeni di diffrazione osservabili anche modificando la distanza dello schermo dall'ostacolo diffrangente sono detti non localizzati o di Fresnel; si chiamano invece fenomeni di diffrazione localizzati, o di Fraunhofer, quelli osservabili sul piano focale posteriore di una lente o di un obiettivo posti dietro al sistema diffrangente; si producono generalmente ponendo una lente anche prima del sistema diffrangente, in modo che entrambi i fasci luminosi, quello incidente e quello emergente, siano fasci di raggi paralleli. Fenomeni di diffrazione di trattazione abbastanza semplice si hanno per sistemi diffrangenti particolari, quali, per esempio, un foro circolare, un disco opaco, una fenditura, un filo opaco, un bordo sottile indefinito, ma in generale il fenomeno è osservabile con sistemi più complessi di forma qualunque, purché una o più dimensioni caratteristiche siano dell'ordine di grandezza della lunghezza dell'onda incidente. Importanti fenomeni di diffrazione sono prodotti da sistemi costituiti da strutture in cui determinate forme si ripetono periodicamente, quali i reticoli cristallini e i reticoli di diffrazione. Nel caso della diffrazione prodotta da una fenditura, si consideri una fenditura, di larghezza a molto piccola rispetto all'altezza, sulla quale incida un'onda piana monocromatica. Per il principio di Huygens, ogni punto della fenditura diventerà sorgente elementare di onde sferiche diffratte di egual frequenza e fase. Una lente L posta dietro la fenditura fa interferire in un dato punto P dello schermo SS tutte le onde elementari che formano con l'orizzontale uno stesso angolo tale da riunirle in P. Ciascuna di queste onde avrà una differenza di fase rispetto a quella adiacente che non è modificata dalla lente; le uniche differenze di fase saranno quelle dovute alla differenza di cammino fra il piano della fenditura, D₁D₂, e un piano D₁A perpendicolare al fascio dei raggi paralleli che interferiscono in P. Per un angolo con l'orizzontale, ϑ, uguale a zero, la differenza di cammino luminoso è nulla: per tutti i raggi si ha concordanza di fase e il punto O sarà il centro di una frangia chiara. Per una differenza di cammino Δl uguale alla lunghezza d'onda della luce (Δl=λ e quindi λ=a sinϑ) ogni punto della metà superiore della fenditura emetterà onde elementari in opposizione di fase con un punto della metà inferiore, quindi il punto dello schermo corrispondente sarà il centro d'una frangia scura; per mλ=a sinϑ (essendo m intero) i punti corrispondenti dello schermo saranno centri di frange scure, per (2m+1)λ/2=a sinϑ i punti corrispondenti, intermedi rispetto ai precedenti, saranno centri di frange chiare, di luminosità decrescente con m. La diffrazione prodotta da fori circolari è il caso tipico che si ha in presenza di lenti o di sistemi diottrici di forma circolare, comunque complessi, che delimitino il cammino dei raggi luminosi. L'immagine di diffrazione di un oggetto puntiforme posto all'infinito, per esempio una stella osservata al telescopio, è costituita da un disco centrale luminoso, circondato da anelli di luminosità minore, sfumati ai bordi. Si trova con il calcolo che l'apertura angolare del disco centrale è uguale a 1,22λ/D in cui λ è la lunghezza d'onda della luce e D è il diametro della lente; il massimo di luminosità centrale è detto disco di Airy, dal nome dell'astronomo che per primo studiò questo fenomeno di diffrazione. A causa della diffrazione, un qualsiasi sistema ottico, per quanto esente da aberrazioni, non potrà mai dare di un oggetto puntiforme un'immagine puntiforme; la possibilità di un sistema ottico di separare due oggetti puntiformi distanti e con piccola separazione angolare non dipende quindi soltanto dall'ingrandimento del sistema ottico impiegato, ma dalla sua apertura e dalla lunghezza d'onda della luce. Nel caso in cui il sistema diffrangente sia costituito da un disco opaco, l'immagine è costituita da una zona circolare centrale che può essere scura o chiara, in relazione alle condizioni geometriche, seguita da anelli alternativamente chiari e scuri (o viceversa). Per un sistema diffrangente costituito da un filo opaco, anziché avere una nitida ombra del filo, si ha una zona centrale scura parallela al filo, seguita da frange alternativamente chiare e scure. Per un dato diametro del filo si può osservare un massimo di illuminamento nel mezzo dell'ombra. Se la diffrazione è prodotta da un bordo a spigolo vivo rettilineo indefinito, l'immagine è costituita, anziché dall'ombra nitida prevista dall'ottica geometrica, da frange alternativamente chiare e scure parallele allo spigolo diffrangente. In tutti i fenomeni di diffrazione esaminati, e così in un qualsiasi fenomeno di diffrazione, se la luce usata non è monocromatica, il sistema diffrangente determinerà figure di diffrazione distinte per ciascuna delle radiazioni monocromatiche, figure che in generale saranno parzialmente sovrapposte. Per esempio, nel caso di diffrazione prodotta da una fenditura in luce bianca, per ϑ=0 si avrà accordo di fase per tutti i raggi e per tutte le lunghezze d'onda, quindi il punto O sarà centro d'una frangia bianca; invece, i primi massimi laterali di luminosità, corrispondenti a λ/2=a sinϑ, saranno distinti per ciascuna lunghezza d'onda, quindi si avrà una certa sovrapposizione di diverse radiazioni in corrispondenza dei bordi, con iridescenza.
Acustica
La diffrazione del suono concettualmente non differisce dalla diffrazione della luce, ma, poiché le lunghezze di onda sonora sono comprese fra 23 m e 2,3 cm, interessa oggetti e fori di dimensioni assai maggiori che nel caso della luce. Un tipico fenomeno di diffrazione di onde sonore si osserva quando un suono, arrivando a un orecchio dell'ascoltatore in direzione esattamente laterale, stimola anche l'altro orecchio, seppure in misura minore: in questo caso la struttura diffrangente è la testa dell'ascoltatore. Utilizzando ultrasuoni, la cui lunghezza d'onda può diventare inferiore a quella della luce, si possono osservare tutti i fenomeni di diffrazione descritti per le onde luminose.
Meccanica
Diffrazione di particelle. Tipiche figure di diffrazione si ottengono con fasci di particelle materiali. Il fenomeno è giustificato nell'ambito della meccanica ondulatoria che associa a ogni particella materiale in movimento la propagazione di un'onda la cui intensità rappresenta in ogni punto e in ogni istante la probabilità che la particella riveli la sua presenza in quel punto e in quell'istante. Alle particelle è associata la lunghezza d'onda λ=h/mv in cui h è la costante di Planck, m e v sono massa e velocità della particella. Elettroni opportunamente accelerati, la cui λ associata è dell'ordine di quella dei raggi X, producono, attraverso cristalli, fenomeni di diffrazione in tutto simili a quelli prodotti dai raggi X. Simili fenomeni di diffrazione si ottengono con neutroni termici.